인지질과 아조벤젠기를 가진 지방산의 혼합 Langmuir-blodgett막의

전기화학적 특성

김범준, 손태철, 이경구, 박근호

창원대학교 화공시스템공학과

Electrochemical properties of Langmuir-blodgett Films of Phospholid

Fatty acid containing Azobezene

Beom Joon Kim, Tae Cheol Son, Gyeng Goo Lee, Keun Ho Park

Department of Chemical Engineer Changwon National University

서론

과학의 발전은 인간에게 시공의 축소와 편리성을 제공했으며 그 추세는 더욱 가속화되고 있다. 이에 따른 정보는 폭주하지만 수많은 정보를 저장하는 장치는 보다 소형화가 요구되고 정보처리의 속도는 빨라져야한다 그러나 현재의 무기재료를 바탕으로 한 반도체 소자들은 고집적화, 초고속화, 고효율화의 문제를 해결해 주지 못하고 있기 때문에 최근에 많은 학자들이 새로운 물질에 관심을 갖고 있다[1,2]. 이와 같은 관점에서, 미래의 전기, 전자 소자 및 각종 센서의 특성을 충족시킬 수 있는 조건의 물질을 유기물질 그리고 분자단위에서 해결하기 위해 많은 연구가 수행되고 있으며 본 연구도 맥락을 같이하고 있다. Langmuir-Blodgett법은 수면상에서 다른 유기 박막제조법에 비해 상온, 상압하에서 비교적 쉽게 유기박막을 제작할 수 있는 장점이 있고, 특히 박막을 구성하고 있는 분자의 배향 및 배열을 비교적 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있기 때문에, 광에너지 변화막, 논리회로, 격막 및 기능성 전극분야등에서 응용 잠재력을 가지고 있다[3]. LB막은 기능성을 갖는 유기분자르 수면상에 전개하여 베리어에 의해 적당한 압력으로 압축한 상태에서 기판상에 누적하여 만들 수 있다. 아조벤젠 기를 가진 지방산은 가역적인 광이성질화 현상에 기인한 cis-trans 구조 변화가 용이하기 때문에 기능성 소재로 연구 활발하다[4]. LB막의 특성을 크게 좌우하기 때문에 수면상에 전개된 단분자막의 물리적인 특성을 파악하는 것으 매우 중요하고 LB막 제조에 앞서서 연구 되어야 할 선행 과제이다. 엘립소 메트리법, 형광 현미경법, 표면 전위 측정법, 변위 전류 측정법 등 단분자막의 특성을 측정하는 다양한 방법들이 개발되어 있다[5-7].

본 연구에서는 4-octyl-4'-(5-carboxy-pentameth- yl-eneoxy)azobenzene(이하 8A5H)과 인지질의 혼합비에 따라 ITO 에 LB막을 누적하여 광조사에 따른 자외-가시광선 스펙트럼을 조사하였고, 누적막에 따라 cyclic voltammetry을 측정하여 전기화학적 거동을 조사하였다.

이론

광조사에 의해 가시영역의 흡수스펙트럼이 가역적으로 변화하는 현상을 Photochromism이라 한다. 아조계화합물은 cis체 및 trans체의 2가지 구조가 있다. 즉, 자외광(파장 □1)의 광조사에 따라 trans체에 □-□*전이에 기인하여, trans체에서 cis체에로 구조를 변화시킨다. 한편 가시광(파장 □2)의 광조사에 의해 cis체 n-□*전이에 기인하여 cis체로부터 trans체에로 그 구조가 변화된다. 많은 전기화학측정법 중에서 전극표면 또는 전극표면극방에서 어떠한 반응이 일어나고 있는가를 가장 직접적으로 파악할 수 있는 방법인 순환전압전류법(cyclic voltammetry, CV)이다.

실험

LB막 누적에 사용한 시약 8A5H는 (주) dojindo(Janpan)에서 제조한 시약을 구입하여 정제하지 않고 사용하였고, aminerl를 가진 인지질의 L-□- phosphatidylethanolamine, dilauroyl(C12:0)(DLPE 99%)는 Sigma Chemical, Co.에서 제조된 것을 사용하였고, 용매로 클로로포름은 덕산약품(주)에서 제조한 특급시약을 사용하였다. 8A5H와 DLPE는 mol비에 따라 2:1, 1:2로 혼합하여 사용하였다.

LB제막 장치는 single barrier이고 표면압 센서가 부착된 NIMA Thechnology Langmuir-Blodgett trough 611(England)을 사용하였다. Through에 초순수를 채운후 1.25□10-7mol 혼합 용액를 수면상에 전개후 barrier의 속도는 80mm/min으로 하고, 표면압력은 16mN/m, dipper의 속도는 3min/min으로하여 ITO에 단층을 제막하였다.

LB막의 광조사에 의한 흡광도 변화 분석에 사용한 기기는 Shimadzu사 UV-2100(Japan)이고, 광조사에 사용한 기기는 Oriel. Coporation(USA)에서 제작한 Xe/Hg 500X램프(Model 68811)를 사용하였다. 360nm과 450nm인 필터를 사용하여 각 5분 광조사를 실시한 후 UV 측정하였다.

Figure 1. Organization of the Mixed 8A5H/DLPE Monolayer of molar ratio 1:1 at the Air-Water Interface(A) and Transferred onto the Surface ITO Electrode(B).

LB막의 전기화학적 측정은 Cyclic voltammetry을 측정하였고, 측정 기기는 BAS사에 3전극 시스템을 가진 electrochemical analyzer BAS100B(USA)을 사용하여 측정하였다. Ag/AgCl reference 전극, 백금 와이어 counter 전극 그리고 LB막 제막된 ITO working 전극을 사용하였고, 전해질은 0.1mol/L NaClO4을 사용하였으며, scan rate은 100mV/s으로 측정하였다.

Figure 22. UV/Vis spectra change of LB monolayer mixed 8A5H and DLPE(2:1) by lights irradiation.

결과 및 토론

Figure 2은 8A5H와 DLPE의 혼합비가 2:1에서 LB막을 제막하여 광조사에 따라 자외-가시광선 스펙트럼을 나타내었다. 곡선 A는 광조사 이전의 흡광도를 나타낸 것이고, 곡선 B는 360필터를 사용하여 광조사한 후 흡광도를 나태냈었고, 다시 450필터를 사용하여 광조사하여 측정한 곡선 C를 나타냈 것이다. 광조사에 따른 광이성질화화 현상이 잘 나타났고, 인지질에 의해 광이성질화가 잘 일어난 것 같다.

Figure 3은 ITO에서 단분자막을 누적한 8A5H LB막의 cyclic voltam mogram을 나타내었다.  산화 전류 피크는 160mV 부근에서 나타내었다. 환원 전류 피크는 명확하게 관찰되지 않았다.  이 그림에서 보여지는 것 같이 산화 환원피크가 모두 나타나지 못하고 한쪽 방향에 나타나 비가역적인 반응이 있을 것이라고 여겼지고 있다.

Figure 4은 3층막을 누적된 8A5H LB막의 cyclic voltammogram을 나타내었다. figure 3과 비슷한 결과를 나타냈고 있으며, 산화 전류 피크는 294mV 부근에서 나타내었고, 환원 전류 피크는  218mV 부근에 약하게 나타냈고 있다. 단분자막보다 많은 분자을 가지고 있었어 산화환원 반응을 볼 수가 있었다.

Figure 3. Cyclic voltammogram of monolayered 8A5H LB film on ITO electrode in 0.1mol/L NaClO4 solution. The scan rate was 100mV/s.

Figure 4. Cyclic voltammogram of three layered 8A5H LB film on ITO electrode in 0.1mol/L NaClO4 solution. The scan rate was 100mV/s.

Figure 5은 8A5H와 DLPE의 혼합비가 1:2으로 단분자막을 누적한 LB막의 cyclic voltammogram을 나타냈었다. 8A5H LB막에서 보여진 결과에서 보여진 것 보다 좀더 산화전류 피크가 뚜렷하게 나타냈었고, 그 피크는 150mV 부근에서 나타내었다.

Figure 6. Cyclic voltammogram of monolayered LB film of 8A5H-DLPE mixture(2:1) on ITO electrode in 0.1mol/L NaClO4 solution. The scan rate was 100mV/s.

Figure 5. Cyclic voltammogram of monolayered LB film of 8A5H-DLPE mixture(1:2) on ITO electrode in 0.1mol/L NaClO4 solution. The scan rate was 100mV/s.

Figure 6은 8A5H와 DLPE의 혼합비가 2:1으로 단분자막을 누적한 LB막의 cyclic voltammogram을 나타냈었다. 이 그림에서는 혼합비가 1:2보다 더욱 선명하고 산화 전류 피크가 2개 나타내었다. 8A5H 만으로 이루어진 단분자막에서 전기화학적 특성을 보여진 것보다 인지질이 2:1과 1:2이 첨가한 혼합막에서는 전기화학적 특성이 좀더 잘 나타냈었고, 혼합비중에서도 1:2보다 2:1에서 잘 나타냈었으며 다른 변화까지 보여지고 있었다.

참고문헌

1.Mitsumasa Iwamoto and Koji Ohnish, "Inverstigation of the photoresponse of lipid monolayers containing azobenzene derivatives by a Maxwell-displacement-current -measuring technique", J. Appl. phys. 76(12),8121(1994)

2. Simon Berneche, Mafalda Nina, and Benoit Roux, "Molecular Dynamic Simulation of Melittin in a Dimyristoylphosphatidylcholine Bilayer Membrane", Biophysical Journal, 75, 1603, (1998)

3. S. Yokoyama, M. kakimoto, and Y. Imai, Langmuir, 9, 1086, 1993.

4. K. H. Park and T. G. Park, Transactions of the Institute of Industry and Technology, 11, 305, 1997.

5. Gareth Roberts, □Langmuir-Blodgett Films□, Plenum Press, New York, 1990.

6. Mitsumasa Iwamoto, Yutaka Majima, □Determination of the Dipole Monent of a Monolayer at the Air/Water Interface a current-Measuring Technique□. Japanese Journal of Applied Physics, 27-5,pp.721-725, 1988.

7. Abraham Ulman, □An Introduction to Ultrathin Organic Films from Langmuir-Blodgett to Self-Assembly□, academic Press, 1991.